【開源計(jì)劃】OpenHarmony學(xué)生挑戰(zhàn)賽項(xiàng)目——智慧農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

【項(xiàng)目名稱】基于OpenHarmony的智慧農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

【項(xiàng)目負(fù)責(zé)人】：張銘哲

1、項(xiàng)目描述

環(huán)境監(jiān)控和自動(dòng)化控制是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中不可或缺的環(huán)節(jié)，作物的生長(zhǎng)環(huán)境監(jiān)測(cè)和控制直接決定了作物的產(chǎn)量和質(zhì)量。隨著信息化、智能化建設(shè)的不斷推進(jìn)，云平臺(tái)成功案例的不斷增多，將農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)測(cè)與云平臺(tái)相結(jié)合，打造智慧農(nóng)業(yè)云平臺(tái)，可以使勞動(dòng)力和生產(chǎn)率得到進(jìn)一步的釋放和提升，進(jìn)一步促進(jìn)農(nóng)業(yè)的現(xiàn)代化發(fā)展。該項(xiàng)目基于OpenHarmony系統(tǒng)，以海思微處理器開發(fā)板為感知層核心，利用國(guó)產(chǎn)開源OpenHarmony操作系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境參數(shù)檢測(cè)、網(wǎng)絡(luò)連接等應(yīng)用。以云服務(wù)器為基礎(chǔ)構(gòu)建智慧農(nóng)業(yè)系統(tǒng)服務(wù)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)云平臺(tái)與傳感網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的通信連接管理等；構(gòu)建遠(yuǎn)程信息管理和控制的 Web 應(yīng)用平臺(tái)。充分利用互聯(lián)網(wǎng)和 Web 技術(shù)為用戶提供實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、信息管理等功能，使得用戶在一定程度上脫離時(shí)間和空間的限制，實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的遠(yuǎn)程監(jiān)控和管理。

2、項(xiàng)目方案簡(jiǎn)介

系統(tǒng)物聯(lián)網(wǎng)模型功能劃分：

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)如下圖所示，采用四層物聯(lián)網(wǎng)模型結(jié)構(gòu)，即感知層、網(wǎng)絡(luò)層、平臺(tái)層和應(yīng)用層。其中，系統(tǒng)的環(huán)境參數(shù)檢測(cè)功能被劃分到感知層，負(fù)責(zé)完成溫濕度、光照強(qiáng)度、土壤濕度等環(huán)境信息采集任務(wù)；網(wǎng)絡(luò)層包括網(wǎng)絡(luò)接入功能以及信息傳輸功能。這里面，信息傳輸功能主要是將感知層獲取的數(shù)據(jù)上傳到云服務(wù)系統(tǒng)，同時(shí)將云服務(wù)器的信息或指令下發(fā)給感知層設(shè)備。網(wǎng)絡(luò)層使用Wi-Fi通信方式接入網(wǎng)絡(luò)，采用MQTT協(xié)議等推送數(shù)據(jù)信息到平臺(tái)層和應(yīng)用層。云服務(wù)主要支持平臺(tái)層功能，負(fù)責(zé)設(shè)備管理、命令下發(fā)、信息存儲(chǔ)等管理功能。應(yīng)用層則利用云服務(wù)器提供的服務(wù)或手機(jī)等用戶終端來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的可視化及客戶交互。

系統(tǒng)的功能邏輯：

本系統(tǒng)的功能邏輯如下圖所示。設(shè)計(jì)方案以小熊派鴻蒙開發(fā)板為核心實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)層和感知層的主要功能。該開發(fā)板使用海思微處理器，運(yùn)行OpenHarmony 操作系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)包括系統(tǒng)外設(shè)初始化、網(wǎng)絡(luò)接入、系統(tǒng)管理、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)聯(lián)網(wǎng)上報(bào)等功能。平臺(tái)層和應(yīng)用層功能則由云服務(wù)器和小熊派鴻蒙開發(fā)板協(xié)同實(shí)現(xiàn)。

系統(tǒng)框圖如下圖所示：

系統(tǒng)硬件部分介紹：

**主控芯片：**MCUv采用Bear Pi-HM Nano開發(fā)板，搭載海思Hi3861RNIV100微處理器。該處理器是一款32位微處理器，高度集成了SoC WiFi芯片。

電源管理模塊采用LDO穩(wěn)壓電路分為兩部分，分別是穩(wěn)壓5V電路和3.3V電路。

溫濕度傳感器采用SHT30支持2.4V5.5V供電，測(cè)量范圍為-40℃到125℃，相對(duì)濕度為0100%，通信協(xié)議采用IIC。

光照傳感器采用BH1750,支持2.4v3.6V供電,測(cè)量范圍165535Lx,通信協(xié)議采用IIC。

土壤濕度傳感器，表面采用鍍鎳處理，有加寬的感應(yīng)面積，可以提高導(dǎo)電性能,通過比較放大器LM393輸出,使用ADC進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集。

補(bǔ)光燈,水泵,風(fēng)扇通過開發(fā)板IO口外界三極管驅(qū)動(dòng)電流放大電路實(shí)現(xiàn)控制。

系統(tǒng)軟件介紹：

1. 軟件開發(fā)及其工具

軟件開發(fā)在OpenHarmony內(nèi)核抽象層之上進(jìn)行。內(nèi)核抽象層為用戶提供進(jìn)程管理、內(nèi)存管理、文件系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)管理和外設(shè)管理等操作系統(tǒng)功能。鴻蒙的內(nèi)核抽象層支持CMSIS應(yīng)用程序標(biāo)準(zhǔn)接口，本次開發(fā)采用輕量級(jí)系統(tǒng)中常用的CMSIS標(biāo)準(zhǔn)。

本項(xiàng)目開發(fā)環(huán)境布置在Window以及Linux操作系統(tǒng)上面。系統(tǒng)編譯環(huán)境在Linux系統(tǒng)性建立，應(yīng)用程序使用C語言編寫，在VSCode上實(shí)現(xiàn)編程。需要安裝配置Python及gcc編譯器的支持，開發(fā)環(huán)境還需要安裝npm和hpm等鴻蒙操作系統(tǒng)的組包和發(fā)行版管理工具。

2. 環(huán)境參數(shù)檢測(cè)

環(huán)境參數(shù)檢測(cè)通過操作溫濕度傳感器、光照傳感器、土壤濕度傳感器實(shí)現(xiàn)。獲取到的溫濕度、光照強(qiáng)度以及土壤濕度等環(huán)境信息通過MQTT協(xié)議上傳到云端,當(dāng)光照強(qiáng)度過低或者溫度、濕度超標(biāo)時(shí)，會(huì)引起報(bào)警以及風(fēng)扇轉(zhuǎn)動(dòng)、開啟水泵等操作，流程如下圖所示：

3. Wi-Fi通信

核心開發(fā)板通過所使用到的傳感器監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)后，需要通過WiFi聯(lián)網(wǎng)將數(shù)據(jù)上報(bào)云端。海思Hi3861RNIV100微處理器SoC WiFi芯片連接WiFi流程圖如下所示：

4. MQTT協(xié)議

消息隊(duì)列遙測(cè)傳輸協(xié)議，是一種基于TCP/IP協(xié)議的即時(shí)通訊協(xié)議，采用發(fā)布、訂閱模式為處于網(wǎng)絡(luò)層上的傳感器與平臺(tái)層、應(yīng)用層提供實(shí)時(shí)消息服務(wù)。MQTT協(xié)議開銷低，帶寬占用小，易于實(shí)現(xiàn)，在物聯(lián)網(wǎng)工程中應(yīng)用廣泛。作為MQTT協(xié)議的客戶端，開發(fā)板上需要布置相關(guān)業(yè)務(wù)代碼，主要包括網(wǎng)絡(luò)連接信息結(jié)構(gòu)體定義、MQTT 客戶端信息結(jié)構(gòu)體、MQTT 客戶端初始化、MQTT客戶端連接代理服務(wù)器、訂閱MQTT消息、發(fā)布MQTT消息等。這些業(yè)務(wù)代碼，本文的設(shè)計(jì)采用鴻蒙系統(tǒng)項(xiàng)目下的第三方代碼進(jìn)行布置。

3、項(xiàng)目功能說明

下位機(jī)可以實(shí)時(shí)采集大棚中的環(huán)境信息，主要包括溫度、濕度、光照強(qiáng)度、土壤濕度以及當(dāng)前所處地區(qū)天氣環(huán)境。

下位機(jī)可以根據(jù)當(dāng)前環(huán)境信息，自動(dòng)實(shí)現(xiàn)補(bǔ)光、通風(fēng)、灌溉、報(bào)警功能，來實(shí)現(xiàn)智慧農(nóng)業(yè)。

通過云服務(wù)器的數(shù)據(jù)傳輸在web端可視化界面上面實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前大棚中的環(huán)境狀態(tài)。

在web端可以手動(dòng)控制實(shí)現(xiàn)補(bǔ)光、通風(fēng)、灌溉功能。

在web端可以實(shí)時(shí)顯示數(shù)據(jù)曲線，并且?guī)в写鎯?chǔ)數(shù)據(jù)的功能，存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)包括四部分，分別是溫度、濕度、光照強(qiáng)度和土壤濕度，數(shù)據(jù)保存到csv文件中，方便后續(xù)對(duì)數(shù)據(jù)分析處理。

4、項(xiàng)目功能展示

系統(tǒng)外觀展示：

系統(tǒng)運(yùn)行中：

web端可視化界面1：

web端可視化界面2：

存儲(chǔ)數(shù)據(jù)形式展示：

視頻展示地址：

https://www.bilibili.com/video/BV1Ad4y1P7xw?spm_id_from=333.999.0.0

5、項(xiàng)目總結(jié)及展望

本文設(shè)計(jì)的環(huán)境參數(shù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，硬件選用海思Hi3681處理器的輕量級(jí)終端，具有數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示、自動(dòng)控制、超限報(bào)警等功能。軟件選擇在OpenHarmony操作系統(tǒng)上進(jìn)行開發(fā)，采用物聯(lián)網(wǎng)解決方案，網(wǎng)絡(luò)通信業(yè)務(wù)代碼選擇OpenHarmony下的第三方代碼。系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果表明，該系統(tǒng)最終實(shí)現(xiàn)了環(huán)境參數(shù)數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)聯(lián)網(wǎng)上報(bào)和指令下發(fā)等功能，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)方案的正確性。系統(tǒng)雖然實(shí)現(xiàn)功能，但仍然存在不足之處，后續(xù)將加強(qiáng)應(yīng)用層上的數(shù)據(jù)可視化及環(huán)境參數(shù)控制等相關(guān)業(yè)務(wù)邏輯設(shè)計(jì)方面的工作。

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